（机械设计及理论专业论文）矿用大型带式输送机液粘式可控软启动系统的研究.pdf

摘要 论文题目：矿用大型带式输送机液粘式可控软启动系统的砚 学科专业：机械设计及理论 研究生：张璐 指导教师：郗向儒教授 摘要 签名： 随着煤矿业的大力发展，大型带式输送机的应用越来越广泛，但启动系统成为制约 其发展的一个关键因素，目前最为理想的矿用大型带式输送的软启动系统即为美国道奇公 司生产的c s t 系统，但其价格昂贵，因此研制出具有国内自主产权的c s t 系统具有很大 的社会效益和经济效益。本文从大型带式输送机对启动系统的要求着手，通过对可控启动 传输系统c s t 结构及工作原理的分析，结合实际工作情况，对大型矿用带式输送机的可 控启动系统的关键部分进行设计及仿真分析。 本文介绍了c s t 装置的机构原理，根据大型带式输送机对启动的要求，给出理想的 启动速度曲线；通过大型参数化建模仿真软件p r o e 对机械传动系统进行建模和仿真，得 出转速特性曲线，分析了该仿真结果与理论分析的一致性：研究了液体粘性离合器的工作 原理和结构，推导出转矩计算公式，并对液粘离合器的关键部件进行设计和相关计算：根 据液粘离合器的工作要求，设计出离合器压力控制系统原理图，并利用剐e s i m 软件对 该系统进行仿真，验证其能满足液粘离合器对液压系统的要求；接着设计了c s t 装置的 电气控制系统，最后对本文提出总结性的建议和展望。 通过本文的设计及研究表明，c s t 可控启动装黄能够充分满足矿用大型带式输送机 对启动控制系统的一系列要求，并且使带式输送机的性能达到最佳，将该装置研制并应用 到实际工作中具有重要的意义。 关键词。带式输送机；c s t ；机械传动系统；液粘离合器；压力控制系统；电气控制系统 西安理工大学硕士学位论文 a b st r a c t t i t i e ：r e s e a r c ho nh y d r a u l i c - v i s c o u sc o n t r o l l e ds o f t s t a r tt e c h n o l o g yf o rm in i n gl a r g eb e l tc o n v e y e r m a j o r ： m e c h a n i c a id e s i g n t h e o r y c a n d i d a t e ：l u z h a n gs i g n a t u 怕： s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n g r ux is i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i mm ev i 9 0 r o u sd e v e l o p m e n t0 ft l l ec o mm i m n g ，t l l eu s eo fl 盯g eb e l tc o n v e y o ri sm o 他 、v i d e l y ，d r i v i n gs y s t e mh 邪b e c o m eak e yf a c t o rw m c hr e s t r i c t i n gi t sd e v e l o p m e n t c s ts y s t e m s ， p r o d u c e db yd o d g e ，i st h em o s ti d e a l r s t a ns y s t e mt 0l 哪eb e l tc o n v e y o r sw h i l ei th 觞a l l i g i i c e ，s 0d e v e l o p e dac s ts y s t e m 、杭t l li n d e p e n d e n tp r o p e 啊r i 曲t sh 鹊g r e a ts o c i a l 觚d e c o n o m i cb e n e f i t s t k sp a p e rs t a n s 嘶mt l l e r e q u i r e m e n t so fs y s t e mf r o mt l l el a r g eb e l t c o n v e y o r ，锄a l y sc s t ss t r u c t l 鹏觚dw o r l ( i n gp r i n c i p l e ，c o n s i d e 塔t l l e t u a lw o r ks i t u a t i o m d e s i g 璐t h ek e yp a n so fl a 唱em i m n gb e l tc o n v e y o r sc o n 们儿e ds t 缸s y s t e m 锄ds i m u l a t e si t s w o r ks i t i l a t i o ni nm ee n d t h i sa n i c l ed e s c 曲e st h e 研n c i p l eo ft h ei n s t i t u t i o l l so ft 1 1 ec s td e v i c e ，西v e sm ei d e a l 姗一v e i o c 时c u r v eb yt h e 锄a l y s i so fl 甜g ec o n v e y o rb e l ts t 乏l r t - u p 咒q u i r e m e n t s ，m o d e l s 锄d s i m u i a t e st h em e c h a n i c d 仃a m m i s s i o ns y s t e mb yp r 0 e ，t h e no b t a i 船t l l es p e e dc h a r a c t e r i s t i c c m v e ，c o n t r a s t st h es i m u l a t i o nr e s u l t s 、；v i t l lm e o r e t i c a lc o n s i s t e n c y na l s o 锄a l y s e st h ew o r k i n g p r i n c i p l e 锄ds 饥l c t u 陀o ft l l ev i s c 0 u sc l u t c hh lt h i sp a p e r ，g i v e st l l ec a l c u l a t i o nf 0 m u l ao f t o r q u e ，d e s i g 陷卸dc a l c u l a t e st l l ek e yc o m p o n e n t s0 fm eh v d i nt l l en e x ts t e p ，c o r d i n gt 0 t l l eh v d s 、o r kr e q u i r e m e n t s ，d e s i g 璐t l l ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，锄ds i m u l a t e st 1 1 es y s t e m b ya m e s i m ，v e r i f i e si tc 锄m e e tt i l er e q u i r e m e n t so fh v ds y s t e m i nt h el a s tp a n t h e e l e c 硒c a lc o n 昀ls y s t e mo ft 1 1 ec s td e v i c ei sd e s i 鲷e d 锄ds o m es u m m a 巧他c o m m e n d a t i o n s a n do u t l o o k sa r i er a i s e di nm i sp a p e r b yt h es t u d i e s 锄dd e s i g n si nm i sp a p e r ，w ec a nc o n c l u d e 也a tt l l ec s tc 锄m e e ta r i e so f 他q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o l s t a ：r ts y s t e mf b mm el a r g eb e l tc 0 n v e y o r 锄dm a k e st h ec o n v e y o r b e i tt 0a c h i e v et t l eb e s tp e 响珊锄c e nh 雒ag r e a ts i 印i f i c 锄c ei fw ed e v e l o pt 1 1 ed e v i c e 锄d 印p l yi ti nt h ea c t u _ a lw o r k i n 西安理工大学硕士学位论文 b e l tc o m r e y o r ；c s ts y s t e m ； m e c h a l l i c 址缸锄s m i s s i o ns y s t e m ；h v d ； p r e s s u r e c 0 n 包r o ls y s t e m ；e l e c t r i c 羽c o n 仃0 ls y s t e m 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 带式输送机具有能连续运输、运量大、维护简便等一系列特点，在煤矿生产中是最为 经济和可靠的运输设备，因此已成为井下煤矿运输的主要运输设备。进入2 l 世纪以来，我 国煤炭工业发展迅猛，产量已是世界第一位，与此同时为了适应现代化矿井高效、高产以 及集约型的发展趋势，带式输送机也朝着大功率、大运量、长距离的方向发展；而在其驱 动设备的应用领域中，三相交流异步电机以运行可靠、结构简单、控制方便并且价格低廉 等众多因素被广泛用于带式输送机的启动；但是由于存在启动以及调速性能差，启动电流 也较大( 这会对电网造成巨大的冲击) 等缺点，因此这种电机不能直接用来启动带式输送 机；而且由于带式输送机的启动时间必须合理的选取，这是因为启动过程中输送带张力波 的传递和变化是一个动态且复杂的过程，如果设计的启动时间过短，启动加速度也将随之 增大，引起胶带产生的动张力也就越大，造成非常大的瞬时冲击，这就会缩短滚筒、托棍 和皮带等其它部件的寿命，因此在带式输送机的启动过程中必须有控制系统的设计，用来 对输送机的启动、制动过程加以控制，以达到优化其启动和制动过程的同时，最大限度地 延长其它配套部件的使用寿命。 为了确保大型带式输送机运行过程的可靠性，要求其驱动系统必须对输送机进行全面 的控制，具体是指该驱动系统应该能够满足如下要求： ( 1 ) 理想的加速度曲线形状，使胶带的动载张力减到最小； ( 2 ) 较长的启动加速时间； ( 3 ) 停车时可以使驱动器和电机仍与胶带相连，以延长停车时间： ( 4 ) l o 左右带速的验带速度： ( 5 ) 能够准确地实现过在保护和负载平衡； ( 6 ) 具有较高的可靠性和高传递效率； ( 7 ) 不增加其它机械部件的安全系数； ( 8 ) 整机短时间停止时不必停止电机2 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外相关技术的研究现状 在国外，有关降低带式输送机运行过程中的胶带张力以及改善整机动态特性的研究进 行得比较早，8 0 年代末，许多发达国家( 德国、美国以及澳大利亚等) 就开始对大型带式 输送机整机运行的动态性能进行研究和计算，并且研制出了带式输送机的动态设计软件， 用来对带式输送机的动张力实施动态跟踪以及动态分析，在此基础上进一步地研发出用来 满足输送机系统启动、制动和低速验带特性的液体粘性软启动设备，最具代表性的是美国 的c s t 系统和澳大利业的b o s s 系统。 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) c s t 系统 c s t ( c o n t r o l l e ds t a nt r 锄s m i s s i o n ) 意为“可控启动传输装置 ，它是美国道奇公司 专为大型带式输送机配套的驱动装置，集减速、调速和离合于一体，它的工作过程是通过 控制系统设置合理的启动时间和启动速度曲线来控制带式输送机的启动过程，具体为：用 户发出启动信号，控制系统接收到信号后首先空载启动电动机，当检测到电机转速到达额 定速度后，压力控制系统开始增加液粘离合器摩擦片之间的压力，在摩擦片的相互作用下， 输出的扭矩与旌加在摩擦片上的压力成正比；输出轴上安装有速度传感器，其作用是检测 出输出轴的转速并反馈给控制系统，控制系统将检测到的速度信号与控制用户设定的速度 曲线进行比较，得出的差值用于控制液粘离合器摩擦片间的压力，以确保输送机按照给定 的曲线启动。 优点：起动过程平稳，启动速度曲线可现场调节，启动时间可以设置在3 0 3 0 0 s 之间 或更长：能实现多机驱动的功率平衡，其控制精度为士2 ，响应时间为5 0 1 0 0 m s ；较高 的传动效率，可达9 6 以上；与耦合器相比其保护功能齐全，可提高传动效率1 3 ；可调 验带速度为1 5 5 0 ；可降低胶带安全系数，安全度不变：可以减小胶带基本张力3 0 。 缺点：进口产品，价格昂贵；控制系统复杂，维护量大；由于减速系统与调速系统是 一体的，所以体积大。 ( 2 ) b o s s 系统 该系统是澳大利业n m 采矿国际有限公司研制的，适用于带式输送机单机2 0 肚5 0 0 k w 的可控系统，专为重型带式输送机设计。 优点：起动平稳，可实现恒扭矩输出，匀加速度起动；可靠性高，维护较为简单；改 善原有驱动装置性能；摩擦片组设在高速轴，相对滑差范围大，便于控制；能够实现功率 平衡，保护功能齐全；与逆止器和制动器的配置灵活、方便。 缺点：在软启动过程中，发热量极大，传动效率低；不能实现无级调速；实现多机功 率平衡，须以摩擦片磨损为代价；由于油膜间隙有限，无法实现真正的空载启动；摩擦片 是易损件，使用寿命短；液压及控制系统复杂；离合器在高速运转时，控制系统难以准确 控制：后期维护费用高3 1 。 1 2 2 国内相关技术的研究现状 近年来国内的一些研究院也相继对带式输送机的动态过程进行了研究并开发出了带 式输送机的动态分析软件；一些科研单位进行了相关的技术研究，开发了油膜离合器、液 体粘性调速装置等，也在煤矿、建材等行业得到应用，并取得良好的效果，目前应用于国 内的软启动装置主要有以下几种： ( 1 ) 变频调速装置 变频调速装置主要由功率器件g b t 绝缘栅极可控晶体管、控制器与电抗器组成。其工 作原理：通过控制器来调节功率器件中的绝缘栅极，使进入功率器件的交流电源的频率发 2 1 绪论 生变化。根据公式聆= 6 0 厂p 所示( n 为电动机转速，伪交流电源频率，p 为电动机极对数) ， 电动机转速与交流电源频率成正比关系。当交流电源的频率由小到大变化时，电动机转速 也随之由小到大变化。只要控制频率变化范围以及频率变化时间，就可使输送机按照设定 的速度曲线平稳起计，达到输送机的软起动。 优点：起动时调速精度高；可以变速运行；调速范围大。 缺点：防爆产品依赖进口，价格昂贵；控制较复杂，使用维护要求高，对环境温度及 清洁度要求高；在井下使用时，高压、大功率器件的发热问题较难以解决：备品备件要依 赖进口。 ( 2 ) 电软起动 电软起动控制器以反并联的晶闸管组为开关，以起动交流调压方式限制电动机的起动 电流，以使该电动机拖动带式输送机平稳地过渡到额定转速，完成软起动。 优点：体积小，使输送机机头峒室减小，适合于空间受到限制的输送机改造项目中使 用；价格比调速型耦合器略为便宜( 低压) ，高压价格较高。 缺点：调压调速用于恒转矩负载时，差动功率损耗大，效率低：考虑谐波影响，选用 电机时要加大容量，一般增加2 0 3 0 ；起动瞬间，会先有一个很短时的全压起动，待输 送带运动后，再实现软起动，此时已造成对输送机的瞬时冲击；由于降压起动，低转速时， 电动机输出转矩不大，满载时起动困难。 ( 3 ) 调速型液力耦合器 调速型液力耦合器的工作原理是：耦合器工作腔内充入一定量的工作液，工作轮泵轮 从电动机上获得机械能，并转化为液力能，推动涡轮旋转，涡轮把液力能转化为机械能， 通过输出轴输出，带动工作机工作，周而复始，实现了从原动机到工作机之间的能量传递。 优点：起动时间随带式输送机主参数可以任意调节，并能实现满载起动；确保输送机 起动加速度值在o 1 o 3 ，s 2 范围内，使输送带起动张力控制在允许范围内：能使鼠笼式 电动机空载起动，又能利用其尖峰力矩作起动力矩，提高其起动能力，缩短了电动机起动 时间，从而使输送机滞后于电机缓慢起动；用于多机驱动时，能实现多机功率平衡，其平 衡精度为士5 ：( 隔离扭矩，减缓冲击，防止动力过载，保护电机及输送机主要部件：结 构简单，无机械磨损，能在环境恶劣条件下工作，使用寿命长，运营费用低，易于实现输 送机遥控和自动控制；能实现多机顺序起动，减少对外界电网的冲击；操作维护简单，备 品备件方便使用。 缺点：有滑差，效率损失2 左右；体积较大。 ( 4 ) 限矩型液力耦合器 限矩型液力耦合器是利用耦合器中的泵轮旋转带动工作液体，工作液体带动涡轮旋 转，依靠工作液体的环流运动传递能量。 优点：提高电动机的启动能力，可在重载下进行启动；缩短电动机的启动时间，减小 启动中的平均电流；减少启动的冲击和振动，防止动力过载，保护电动机，工作机不会因 3 西安理工大学硕士学位论文 过载而损坏；多机驱动时能使功率平衡，减小对电网的冲击；结构简单，运行可靠，无机 械磨损，使用寿命长，无需特殊维护。 缺点：对于大载荷不能实现真正意义上的软启动；启动加速度不可调。 ( 5 ) l o q 离心耦合器 l o q 离心耦合器在静止时，离心摩擦块紧贴耦合轮。电动机启动时，在近于空负荷 的状态下运转，随着电机转速的增加，装在机芯上的三个离心摩擦块对耦合轮的压力也在 增大，摩擦力矩逐渐提高，并带动滚筒旋转。 优点：使用方便，不加水、不加油，降低了劳动强度，安装后即可使用；修复率高， 更换易损部件即可恢复原机功能；优良的过载低温保护功能：无差速同步运行；价格便宜。 缺点：对于大载荷不能实现真正意义上的软启动；启动加速度不可调“。7 1 。 通过以上对比可以看出，能够实现真正意义上的可控软启动( 即能够达到可控的启动 和停车，减小对启动系统和带式输送机的震动，满足低速验带要求，达到无级传动，能够 实现多机功率平衡等一系列要求) ，且完全满足大型带式输送机对驱动系统的要求的最佳 启动系统只有美国道奇公司生产的c s t 系统，事实上，在国外生产的液粘式软启动装置中， c s t 的应用也是最广泛的，并且得到了用户的一致认可，其典型应用如图1 1 所示。 图l 一1c s t 的应用 f i g 1 - la p p l y0 f c s t 近十几年来，我国煤矿井下带式输送机的启动控制系统一直是采用国内生产的液力耦 合器以及其它电气方式，有一定经济实力的矿井会采用从国外进口的软启动设备。由于国 产输送机启动设备基本上都不能完全实现真正意义上的可控软启动，而国外进口设备的价 格高、安装及维护费用大，所以研制出具有国内自主知识产权的可控软启动系统的任务迫 在眉睫。 1 3 研究的目的和意义 经大量实践证明，在众多类型的矿用输送机软启动装置中，只有液粘式软启动能真正 4 1 绪论 实现输送机的软启动，达到最好的启动性能，是真正意义上的软启动，目前这种软启动方 式在煤矿上的应用越来越广泛，目前成熟的液粘式软启动装置只有美国d o d g e 公司生产 的c s t 以及澳大利亚n i p p o n 公司生产的b o s s 两种，国内市场在该领域几乎被这两家公司 垄断；这两种设备中，能够实现大型带式输送机的可控启动，能够满足输送机对启动设备 要求的就是c s t 可控启动传输设备，因此它的价格大大超出了一般用户的承受能：力，而液 粘式可控软启动装置的市场前景伴随着煤矿业上带式输送机应用的日趋广泛，也必将更加 广阔，自主研制出一种拥有合理价格且性能优良的c s t 装置是市场的迫切要求。 国内对液粘式传动技术的研究开展的也较早，目前虽然也存在成熟的研究成果，但大 都用在制造变矩器和调速器，真正研究带式输送机的可控式软启动的单位和科研人员并不 多，因此与国外差距还是很大，所以把本课题选作研究生阶段毕业课题的目的在于根据现 有的对c s t 设备的了解，经过认真的分析和调研，设计出具有国内自主知识产权的可控液 粘式软启动装置，打破国外在这一技术领域的垄断地位，这必将为我国的煤矿业及其它领 域带来显著的经济效益和社会效益1 。 1 4 论文的主要工作 通过对可控启动传输系统c s t 结构及工作原理的分析，结合实际工作情况，对大型 矿用带式输送的可控启动系统的关键部分进行设计及仿真分析。 c s t 系统主要由以下部分组成：( 1 ) 机械传动系统；( 2 ) 液压系统，包括压力控制 回路及润滑回路：( 3 ) 冷却系统；( 4 ) 电控系统。本文主要讨论机械传动部分( 包括多级 齿轮减速系统和液粘离合器) 、压力控制回路以及电控系统的设计，对润滑回路及冷却系 统只做简单介绍。 1 5 论文结构 本论文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章：绪论 主要介绍了国内外大型带式输送机启动系统的发展现状及差距，阐述了课题研究背景 与意义，简单介绍了本论文的主要研究内容； 第二章：总体方案及启动曲线的研究 对c s t 可控启动装置的结构进行分析及相关设计，并选取了合理的启动速度曲线， 在仿真软件中模拟理想的启动速度曲线及加速度曲线； 第三章：差动轮系的建模及运动仿真分析 简单介绍了c s t 装置机械传动系统的工作原理，利用p r 0 e 对机械传动系统中的齿 轮系建立模型并装配，接着在仿真模块中对其装配模型进行运动仿真，得到转速特性曲线， 分析该仿真结果与理论的一致性； 第四章：液体粘性离合器的设计与相关计算 对c s t 系统中的液体粘性离合器的工作原理进行简述，计算出传递转矩的公式，并 5 西安理工大学硕士学位论文 对其主要部件进行设计计算，主要包括液压油的选择，摩擦片材料、形状和数目的选择及 计算； 第五章：压力控制系统的设计与仿真 对液粘离合器的压力控制系统进行设计，并利用多学科领域复杂系统建模与仿真平 台a m e s i m 对该系统及其关键液压元件进行建模仿真并得出结论； 第六章：电控系统的设计 对c s t 装置的电气控制系统的软、硬件部分进行设计，编制了p l c 控制启动的流程 图，利用m a t l a b s i m u l i n l ( 仿真平台对液粘软启动装置进行仿真，确定系统的p i d 控制 算法并给出功率平衡控制方法。 第七章：结论与展望 本章对本论文已完成的工作进行简要的总结，指出存在的问题及可以进一步研究的领 域，为后续的研究提供方向。 6 2c s t 系统总体方案的研究 2c s t 系统总体方案的研究 c s t ( c o n t r o l l e ds t a nt r a l l s m i s s i o n ) 意为“可控启动传输装置”，是美国道奇公司专 为大型带式输送机配套的集减速、离合和调速于一体的驱动装置，其结构形式主要有平行 轴形式k 型”，直角形式“k r 型”( 3 点钟) 以及直角形式“k r 型”( 9 点钟) ，本文 主要研究和设计目前应用最为广泛的平行轴式c s t ，其控制电机启动带式输送机滚筒的 过程如图2 1 所示，其中c s t 系统的主要构成有机械传动系统、冷却系统、液压系统及 电控系统。 机械 液冷 电驱 i 电机b联轴器r传动 压却 控 二i 联轴器日 动 系系系滚 系统 统统统 筒 c s t 系统 图2 1c s t 系统总体方案图 f i g 2 一lo v e r a l lp l a nd r a w i n go f c s ts y s t e m 2 1 机械传动系统 c s t 系统的机械传动系统是由减速箱体内的齿轮系和液粘离合器组成，其构成如图 2 2 叫所示。 暨 1 减速箱体2 一级减速火齿轮3 输入轴4 一级减速小齿轮5 齿圈6 行星轮 7 太刚轮8 与行星架为一体的输出轴9 液粘离合器 图2 2 机械传动系统剖面图 f i g 2 - 2c r o s s - s e c t i o nd r a w no fm a c h i n ed r i v e ns y s t e m 7 西安理工大学硕士学位论文 2 - 1 1 液粘离合器工作原理n c s t 系统能够拥有良好的调速、起动、停车以及多机驱动功率平衡的功能，主要是 通过控制液体粘性调速离合器的工作来控制差动轮系各齿轮的运动来实现的，c s t 系统 中的液粘离合器，其工作原理是基于牛顿内摩擦定律，也就是说利用流体粘性产生的剪切 力来传递动力，现就对牛顿内摩擦简要介绍以进一步说明传动机理。 图2 3 流体的内摩擦不意图 f i g 2 3d r a w n o ff l u i df r i c t i o n 如图2 3 所示，牛顿内摩擦定律的内容如下： 假设有两块平板，它们平行放置，其间隙艿很小并且充满了油液( 其动力粘度为j l l ) ， 如果固定下板，让上板以平行于下板的速度1 ，运动，那么两板之间的流体( 油膜) 就会受 到剪切；当两板间相对速度不太高的时候，可以近似地把流体相邻层之间的流动状态看作 是层流( 即流体间相互平行移动) ，此时粘附在上板表面的流体其分子速度为v ，而粘附 在下板表面的流体分子其速度为零，上、下板之间流体分子速度变化的规律为线性的，若 想使上板的运动速度，恒定不变，需要的力，的计算公式为式( 2 1 ) ，可以看出该力与流 体的动力粘度p 、剪切率6 以及上、下板的面积彳成正比 即 f = p 彳去= p 彳等 f 彳 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：卜油膜剪切力( ) ； f 油膜的切应力( 尸口) ； p 流体的动力粘度( 尸口s ) ； v 两平板的相对速度，或油膜的剪切速度( 叫s ) ； 彳承受油膜剪切作用的面积( 朋2 ) 。 由此可见，油膜的切应力r 与油液的动力粘度p 和剪切速度 ，均成正比，而与油膜的 厚度艿成反比，这就是指导液粘传动发展的牛顿内摩擦定律，它揭示了流体运动中各因素 间的内在关系。 8 2c s t 系统总体方案的研究 2 1 2 机械传动系统分析 如图2 2 所示，c s t 的机械传动系统主要由两部分组成：二级齿轮减速系统和液 粘离合器部分，其中电机的输出轴通过联轴器直接与减速系统的输入轴相连，将电机的高 速旋转运动，经过二级减速传动及液粘离合器的调节后，可控地传递给与行星架连为一体 的输出轴，从而带动带式输送机驱动滚筒转动，达到可控启动带式输送机的目的。其中液 体粘性离合器的安装位置会影响摩擦片间液体的流动情况，而摩擦片间的液体流动情况会 直接影响到液粘离合器传递扭矩的能力，从而导致整个启动装置性能受到影响，图2 - 4 是 几种c s t 系统中离合器安装位置的示意图。 图2 4 离合器安装位置示意图 f i g 2 - 4t h es c h e m a t i cd i a g 瑚lo fi 眦t a i l a t i o nl o c a t i o no ft h ec l u t c h 层流和紊流对离合器影响的对比： i 膜 i 图2 5 层流流动图2 石紊流流动 f i g 2 - 5l 锄i n a rn o wf i g 2 6t u r b u i e n tf l o w 图2 5 为层流流动，摩擦片间的油膜保护其表面不易被磨损，保证摩擦片寿命与设 备寿命相同。油膜剪切力和摩擦片间的距离为一一对应的关系，传递扭矩稳定。 图2 6 紊流流动中气泡的数量是随机变化的，由于气泡的存在，摩擦片表面的油膜极 易破坏且润滑不充分，油膜剪切力与摩擦片距离不再是一一对应的关系，而是随机变量， 传递不稳定“妇。 将液粘离合器安装在高速轴上来控制输出扭矩，这样虽然能够减小主机尺寸但是控制 9 西安理工大学硕士学位论文 能力随之变差，几乎不能满足大型带式输送机对启动系统的要求，因此对于大型重载机器 来说，只有将粘液离合器安装在低速轴才能达到理想的控制效果，而c s t 巧妙地将液粘 离合器安装在了减速器的输出轴部分( 如图2 _ 4 所示的c 位置) ，这是由于考虑到摩擦片 之间油液的状态对输出扭矩带来的变化，这使得控制更加精确，同时又保护了摩擦片，再 7 者由于该安装位置接近负载从而增加了系统的响应速度。 2 2 冷却系统 每一台c s t 都配有独立的冷却系统，其回路中的冷却油液是由单独的冷却液压油泵 进行供油，冷却系统主要包括油温传感器、风冷式热交换器、冷却油泵及油位开关等设备。 只要c s t 运行就必须运行冷却油泵，c s t 开始工作时应首先启动冷却系统，为摩擦片提 供充分的润滑后再开启润滑系统的液压泵，这样能够保证系统工作之前润滑任务的完成； 冷却系统主要用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所带来的损耗热量，冷却系统采 用油空气热交换器方式，通过冷却泵的运行，促使冷却油液在c s t 油箱、热交换器和离 合器之间循环流动，以保证c s t 系统的安全运行。 图2 7 冷却系统 f i g 2 7c o o l i n gs y s t e m 如图2 7 所示，当控制系统发出指令启动冷却系统时，油泵将冷却油从减速器的油箱 中抽出来，再经热交换器冷却，接着经过滤器过滤后进入离合器，提供动、静摩擦片间能 够形成油膜所需的油量，并通过动、静摩擦片间的油槽将热量带走，冷却油经循环回到减 速器油箱中，其中压力传感器用来检测冷却油流量是否满足正常工作需要，检测到的压力 信号将会送到控制器中，如果冷却压力低于设定值，系统将显示故障状态，并使输送机停 止运行；节流孔用来备压和限制热交换器流量。 2c s t 系统总体方案的研究 2 3 液压系统 c s t 的液压系统分为离合器压力控制回路及润滑回路两大部分，其中压力控制回路 为高压小流量回路，润滑回路为低压大流量回路。 2 3 1 润滑系统 图2 8 润滑系统 f i g 2 - 8l u b r i c a t i n gs y s t e m 如图2 8 所示，c s t 装置液压系统的液压泵为两级式双联液压泵，其中一级液压泵为 低压泵，其流量较大，主要负责为润滑回路提供润滑压力和流量，并为二级泵提供输入压 力，二级液压泵为高压泵，但流量较小，主要为压力控制系统提供油压，确保阀的控制作 用。 一级液压泵为润滑系统提供压力的工作过程为：一级液压泵将油从油箱中抽出后，通 过一个y 型粗过滤器将较大的颗粒杂质过滤掉，以防止它们进入系统油路，接着通过一 个双向液压整流桥，进行整流后再经细过滤器过滤，最终为进入轴承润滑点；经过两级过 滤，是为了提高系统中轴承和控制元件的使用寿命及可靠性。 2 3 2 离合器压力控制系统 离合器压力控制系统提供液粘离合器正常工作所需的油压，通过液压控制阀控制油压 大小，改变液粘离合器中环形活塞的行程，达到调节动、静摩擦片间隙的目的，从而改变 输出转矩，最终能够调节输出轴转速；控制应能使油液的最高压力可以压紧离合器的动、 静摩擦片，使传动效率为1 0 0 ，并且压力大小的调节也应是无极的，对于离合器压力控 制系统的具体设计将在第五章中具体介绍。 西安理工大学硕士学位论文 2 - 4 电控系统 大型带式输送机的启动，一般情况下需要多台驱动装置同时作用，这就要求控制系 统不仅要能够保证对每台驱动装置都能够实施监视和控制，保证其能够正常运行，同时还 要确保多台驱动装置之间的功率平衡，只有这样才能达到使带式输送机达到在启动过程中 和运行过程中带速稳定、可控的目的。 2 - 4 1 t 基本控制输入信号 ( 1 ) c s t 冷却油压力( 或流量) 传感器或压力开关：冷却油回路中的压力传感器或 压力开关用于保护c s t 中和离合器上有足够的冷却油流量； ( 2 ) c s t 润滑压力传感器或压力开关：冷却油回路中的压力传感器或和压力开关用 于保证c s t 中的轴承有足够的润滑压力； ( 3 ) c s t 油温传感器：油温传感器r t d 用于监测c s t 油箱中的油温，以控制热交 换器启动和停止及超温警报； ( 4 ) c s t 输出轴速度：安装在c s t 输出轴上的速度传感器用于提供速度信号来控制 带式输送机的加速； ( 5 ) c s t 离合器压力传感器：用于监测施加于离合器上的实际压力，以便对带式输 送机的带速进行监测和控制； ( 6 ) 皮带打滑传感器：皮带速度传感器用于测量皮带速度，通过比较皮带速度与c s t 输出轴速度来检测皮带是否打滑及其打滑程度。 2 4 2 t 基本控制输出信号 ( 1 ) 离合器压力控制阀：控制阀用于调节离合器的压力，控制液粘离合器输出扭矩 及皮带速度； ( 2 ) 冷却泵及其电机的启停：根据需要启动和停止冷却系统中冷却泵及其电机的开 关量信号； ( 3 ) 冷却风扇运行：根据需要启动和停止热交换器冷却风扇的开关量信号1 3 叫。 2 4 3 电控系统构成 c s t 采用基于p l c ( 可编程逻辑控制器) 的控制系统，可对每台c s t 装置进行监视、 控制和操作，控制系统主要由控制器、现场传感器及显示设备等组成，通过各类现场传感 器接收到的基本控制输入信号，都是采用p l c 编程，使用p i d 回路进行控制，可以达到 满意的控制效果，同时为了满足多台c s t 设备对功率平衡的控制要求，在控制器内部的 设置了功率p i d ，以使设备的使用寿命在最大程度上得以延长。 2 5 带式输送机最佳启动曲线的研究 胶带启动的过程中速度曲线的设定尤为重要，这是因为带式输送机启动时的振荡冲击 2c s t 系统总体方案的研究 与胶带上的动张力有关，而在带式输送机结构、性能参数已定的情况下，动张力的大小主 要与起动加速度值有关( 启动时间越短，加速度及其变化量就越大，这样对输送带的振荡 冲击就越大，同时对整个系统的危害也就越大) ，因此通过控制起动加速度就可以有效地 控制动张力的大小，本节着重研究选取合理的启动曲线。 为了最大限度地减小启动过程中对输送带的冲击作用和启动的惯性力，设计理想的可 控启动速度曲线，要能够确保在整个启动过程中带式输送机启动平稳，并且加速度的最大 值比较小且没有突变，能够使速度平稳地输出；根据相关资料以及实际应用过程显示，选 用“s ”形速度控制曲线能达到较为满意的启动效果，使用相同的时间启动电机，选择“s ” 形曲线比选择直线启动输送机的启动过程要平稳的多，同时能够在很大程度上减小震动和 噪声的影响。 液粘式可控软启动系统是通过控制用户给定的速度和加速度曲线，来减小速度变化率 以及加速度变化率的方法，使带式输送机的启动速度曲线能够变成平滑的“s ”形曲线， 来减小启动过程中对输送带以及电机等的冲击。 2 5 1 几种常见的启动曲线比较 本文对几种常用的加速度控制曲线做了比较，并且最终选取最佳的软启动控制曲线， 能使输送机的启动冲击以及加速度响应值达到最小。下列各式中，t 为启动时间，v o 为 额定带速。 ( 1 ) 梯形加速度控制曲线 0 巴i七l匕i t 图2 9 梯形加速度变化曲线 f i g 2 - 9c h 锄g ec u r v eo f t r a p e z o i d a ia c c e l e r a t i o n 梯形加速度控制曲线中 ，i = f 3 一r 2 = 叫( n 为正整数) 则带式输送机的梯形加速度曲线的最大值为 = 【( 一1 ) 丁】 加速度计算公式为 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 那么加速度变化率 西安理工大学硕士学位论文 口( ，) = ( o ，1 ) ( 2 ) 三角形加速度控制曲线1 7 1 ( n o r d e l l 加速度控制曲线) 速度公式为 0 则加速度的最大值为 加速度计算公式为 图2 1 0n o r d e n 启动速度曲线 f i g 2 - l on o r d e i lc 仃0 lc u n ，eo f c e l e r a t i ( 2 5 ) ( 2 6 ) 叱，馏象刁 亿7 ， 口_ = 2 丁 口( ，) = 那么三角形启动控制曲线的加速度变化率为 争= 4 事c 。娜争rr 2 、2 7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ) 亿一 噍 ( 3 2 b ) 式中：力。行星轮数目； 9 昭口一g 啮合副中心距； 吆彳亍星轮g 齿顶圆直径。 c 同心条件 行星传动装置的特点为输入轴与输出轴是同轴线的，即各中心轮的轴线与行星架轴线 是重合的，为保证中心轮和行星架轴线重合条件下的正确啮合，由中心轮和行星轮组成的 各啮合副的实际中心距必须相等，称之为同心条件。由于选择齿轮齿数时往往难以同时满 足传动比和同心条件，这就需要进行角变位，角变位后的同心条件为 至堡：至玉 ( 3 3 ) c o s c o s 式中：2 。太阳轮齿数； 元齿圈齿数； z ，彳亍星轮齿数； 口窖6 g 一6 啮合副中心距。 d 装配条件 行星传动中，行星轮数目大于一，要使几个行星轮能均匀装入，并保证与中心轮正确 啮合而没有错位现象，所应具备的齿数关系即为装配条件，n g w 型的装配条件为 三凸：整数( 3 4 ) ( 3 ) 设计过程： 1 ) 三台电动机带动三个软启动系统，电机功率均为8 0 0 k w ，根据实际工作要求，选 择y b k s 系列高压三相异步电动机，电机型号为y b k s 4 5 0 4 4 ，额定功率8 0 0 k w ，额定 转速= 1 4 8 6 r 肌伽3 1 1 。 2 ) 输送带带轮的工作转速为 嘞：坠翌竺竺：旦翌堕生旦坐：7 6 4 3 ，朋伽 ( 3 5 ) 吃2 丁2 酉两而万。7 6 4 3 ，朋珊 ( 3 。5 ) 万口j 1 4 l u u u 则总的名义传动比为 f ：堕：旦堕：1 9 4 4 3( 3 6 ) ，1 2 7 6 4 3 根据经验公式分配各级传动比为 毛= 4 3 2= 4 5 ( 3 7 ) 3 差动轮系的建模及仿真 其中为高速级传动比，岛为低速级传动比。 3 ) 设计出来的齿轮模型基本参数如下表所示： 表3 1 齿轮模型的基本参数 1 a b 3 - ld a t ao f g e a 倦 名称模数( m m ) 齿数齿宽( m m )螺旋角压力角( 。) 一级减速小齿轮 63 32 0 08 1 0 9 一级减速大齿轮 61 4 32 0 08 1 0 9 太阳轮 1 02 61 5 62 0 行星轮 1 0 3 21 5 62 0 齿圈 1 09 l1 5 62 0 跟据设计好的齿轮的齿数，可以计算出实际传动比为 f ，：垒f 垒+ l1 _ 丝f 里+ 1 1 - 1 9 5 ( 3 8 ) 毛iz 口j 3 3 l 2 6 则名义传动比与实际传动比的相对误差为 i 盟怫竺：三二! 竺：竺三i ：o 2 3 额定带速时的阶段，此时速度p i d 逐渐上升，功率 p i d 调整多个电机达到功率平衡，为了提升启动性能加入缓冲阶段( 约5 2 加) ，该阶段 带速保持在额定速度的5 左右； 5 ) 状态4 ：加速状态 缓冲结束后，带式输送机将由速度p i d 控制按照用户设定的启动曲线启动直至达到满 速( 约3 0 3 0 ) ； 6 ) 状态5 ：满速状态 当带速 9 5 时，带式输送机系统进入满速状态，此时可启动加料设备，带速应保持 在9 8 l o o 额定速度； 7 ) 状态6 ：减速状态 当用户发出停机指令或出现c s t 故障时，系统便进入减速状态，速度p i d 控制输送 机按给定的曲线停机，停机时间可按需要调整，当带速 5 时，减速状态结束阳1 。 6 2 2 控制流程的设计 由带式输送机启动过程中各个阶段的的运行状态，设计单台c s t 系统的p l c 控制启 动过程流程图如图岳3 。 6 电控系统的设计 图6 3p l c 控制系统流程图 f i g 6 - 3f l o w c h a n 0 fc o n 仃0 ls y s t e m 西安理工大学硕士学位论文 6 3 差动轮系液粘调速装置建模及仿真 6 3 1p id 控制算法的确立 在输送机启动、运行以及制动等各个阶段，均由p l c 控制的c s t 系统来使带式输送 机能够稳定安全启动和运行，并且多个c s t 系统之间能够实现功率平衡，实现这些就需 要p l c 控制中的多个p i d ( 功率、速度、加速度以及压力) 回路。p i d ( 比例积分一微分) 控制基于其简单的原理、超强的适应性以及很好的鲁棒性等众多优点，已成为迄今为止在 工业控制领域中最通用的控制算法，因此在c s t 控制系统中选择该控制算法，其控制原 理如图6 4 所示。 图6 _ 4 p i d 控制原理图 f i g 6 _ 4c